ZWEI UHREN, ZWEI LÄNDER, EIN TAKT

Optische Atomuhren erreichen heute relative Unsicherheiten von 10⁻¹⁸ und darunter – das entspricht einer Sekunde, die in dreißig Milliarden Jahren verloren geht. Sie übertreffen die Cäsium-Mikrowellenuhren, die heute die Sekunde definieren, um mehr als das Hundertfache, und eine Neudefinition der Sekunde auf Grundlage optischer Uhren wird erwartet. Bevor man einen neuen Standard wählt, müssen die Uhren jedoch gegeneinander geprüft werden.

Warum zwei gleiche Uhren

Vergleicht man Uhren, die denselben atomaren Übergang – den Sprung zwischen zwei Energieniveaus des Atoms, dessen Lichtfrequenz die Uhr zählt – nutzen, erhält man einen klaren Test: Ihr Frequenzverhältnis muss genau eins sein. Eine solche Übereinstimmung unter 10⁻¹⁷ war fast nur zwischen Systemen gezeigt worden, die im selben Institut gebaut wurden. Eine frühere europäische Messkampagne zwischen genau diesen beiden Uhren verfehlte mangels Daten das Ziel von 5 × 10⁻¹⁸, das im Vorfeld der Neudefinition gesetzt wurde. Und Vergleiche zwischen anderen unabhängig gebauten Uhren haben Abweichungen weit jenseits ihrer angegebenen Unsicherheiten offenbart – ein Zeichen für Effekte, die niemand berücksichtigt hatte.

Ein Ion, zwei Labore

Beide Uhren fangen ein einzelnes Ytterbium-171-Ion ein und tasten einen extrem schmalen Übergang ab, einen „elektrischen Oktupol“-Übergang, dessen angeregter Zustand Jahre lebt. Die eine Uhr, NPL-E3Yb+3, steht am National Physical Laboratory in Teddington im Vereinigten Königreich. Die andere, PTB-Yb1E3, steht an der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig. Sie unterscheiden sich in der Bauart ihrer Falle, in ihren stabilisierten Lasern und in der Art, wie sie die Verschiebung durch das Abfragelicht selbst aufheben.

Verbunden wurden sie über das europäische Netz von Glasfasern, die so stabilisiert sind, dass sie kaum eigene Drift hinzufügen: 2.220 km, über drei Relaisstationen in Frankreich – das Laboratoire de Physique des Lasers in Villetaneuse, das Laboratoire Temps Espace am Pariser Observatorium und die Universität Straßburg. Zwischen dem 18. März und dem 12. April 2025 sammelte das Team 12,6 Tage verwertbarer Daten; beide Uhren und die Verbindung liefen 51 % der Zeit gleichzeitig.

Das Ergebnis

Das Verhältnis der beiden Frequenzen ergab 1,000 000 000 000 000 001 0, mit einer Unsicherheit von 48 in den letzten Stellen: ein Unterschied von 1,0 × 10⁻¹⁸ ± 4,8 × 10⁻¹⁸, verträglich mit null. Nach Kenntnis der Autoren ist dies der erste internationale Uhrenvergleich unter 5 × 10⁻¹⁸.

Das Fehlerbudget, in Einheiten von 10⁻¹⁸ (unabhängige Fehler heben sich teilweise auf: Sie werden als Quadratwurzel der Summe ihrer Quadrate kombiniert, deshalb ergeben sie zusammen 4,8 und nicht 8,8):

• die Uhren selbst: 2,8, wobei der größte Effekt die Wärmestrahlung ihrer Umgebung bei Raumtemperatur ist;
• die internationale Glasfaserverbindung: 0,9;
• die Statistik: 1,6;
• die relativistische Rotverschiebung zwischen den beiden Standorten – je höher eine Uhr im Schwerefeld der Erde sitzt, desto schneller geht sie, um etwa 1 × 10⁻¹⁸ pro Zentimeter –, einschließlich der wechselnden Zugkraft der Gezeiten: 3,5 – der größte Einzelposten.

Diese letzte Korrektur hängt von der Lage jeder Uhr im Schwerepotenzial der Erde ab. Ihre Unsicherheit entspricht etwas mehr als 3 Zentimetern Höhenunterschied zwischen den beiden Uhren.

Ein Relativitätstest nebenbei

Die beiden Standorte liegen weit auseinander, und die Erdrotation dreht die Verbindungslinie zwischen ihnen ständig. Hinge die Lichtgeschwindigkeit von der Richtung ab – eine Verletzung dessen, was Physiker Lorentz-Invarianz nennen –, würde das Frequenzverhältnis mit jedem Sterntag schwanken – einer Umdrehung der Erde relativ zu den Sternen, 23 h 56 min. Ein solches Signal trat nicht auf. Der Parameter, der diese Richtungsabhängigkeit misst, ist nun etwa fünfmal enger eingegrenzt als zuvor. Ohne die Gezeitenkorrektur zeigte sich übrigens eine scheinbare Schwankung, stark genug, um als Hinweis auf ein Signal durchzugehen (2,6 Standardabweichungen).

Die Daten zeigten auch, dass die Glasfaser Rauschen hinzufügt: Die Streuung war tagsüber 24 % größer als nachts, passend zu Umweltstörungen entlang der Verbindung.

Jetzt zählen Zentimeter

Weil die Schwerkraft den Fehler dominierte, schreiben die Autoren, dass noch bessere Vergleiche eine genauere Kenntnis des Schwerepotenzials an jedem Standort erfordern werden – oder eine Uhr, die sich zum anderen Standort transportieren lässt, ohne an Leistung zu verlieren.